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杂交育种与诱变育种第六章《从杂交育种到基因工程》九十年代后期，美国学者布朗抛出“中国威胁论”，撰文说到下世纪３０年代，中国人口将达到１６亿，到时谁来养活中国，谁来拯救由此引发的全球性粮食短缺和动荡危机？袁隆平培养杂交水稻过程中，他利用了哪一种变异的原理？袁隆平一个属于中国也属于世界的名字他发起的“第二次绿色革命”给整个人类带来了福音。袁隆平:农学家、杂交水稻育种专家。1995年当选为中国工程院院士。事迹袁隆平长期从事杂交水稻育种理论研究和制种技术实践。1964年首先提出培育“不育系、保持系、恢复系”三系法利用水稻杂种优势的设想并进行科学实验。1970年，与其助手李必湖和冯克珊在海南发现一株花粉败育的雄性不育野生稻，成为突破“三系”配套的关键。1972年育成中国第一个大面积应用的水稻雄性不育系“二九南一号A”和相应的保持系“二九南一号B”1973年,育成了第一个大面积推广的强优组合“南优二号”，并研究出整套制种技术。1986年提出杂交水稻育种分为“三系法品种间杂种优势利用、两系法亚种间杂种优势利用到一系法远缘杂种优势利用”的战略设想。被誉为“世办杂交水稻之父”。年份197820002010种类普通水稻普通水稻&杂交水稻杂交水稻产量(吨/每公顷）3.5单产达到6.34预计13.5中国于１９９６年提出超级杂交水稻培育计划。推广应用杂交水稻所增产的稻谷每年可养活7000多万人口。到2004年底止，杂交水稻在中国已累计推广约3亿公顷，增产稻谷约4.5亿吨，成为中国解决粮食问题的关键技术。贡献如今，我国大江南北的农田普遍种上了袁隆平研制的杂交水稻。杂交水稻的大面积推广应用，为我国粮食增产发挥了重要作用。杂交水稻被世界誉为中华民族的“第五大发明”。袁隆平的杂交水稻引起了世界的关注，许多国家的专家到中国来取经，印度、越南等20多个国家和地区还引种了杂交水稻。袁隆平的努力，也为解决世界粮食短缺问题作出了贡献。一、杂交育种是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起，再经过选择和培育，获得新品种的方法。例1：小麦高秆（D）对矮秆（d）为显性，抗锈病（T）对不抗锈病（t）为显性，现有纯合的高秆抗锈病的小麦（DDTT）和矮秆不抗锈病的小麦（ddtt），如果你是袁隆平，怎样才能得到矮秆抗病的优良品种（ddTT）？想一想：植物杂交育种的方法以下是杂交育种的参考方案：Ｐ高抗矮不抗Ｆ１高抗Ｆ２DDTTddttDdTtddTt高抗高不抗矮抗矮不抗ddTT矮抗ddTTddTt矮抗ddTT矮抗矮抗矮不抗ddTtddTT杂交自交选优自交F3选优思考：要培育出一个能稳定遗传的植物品种至少要几年？练习1：某作物的高秆（A）对矮秆（a）为显性，感病（R）对抗病（r）为显性。Aa和Rr是位于非同源染色体上的两对等位基因。今有高秆抗病和矮秆感病纯种，人们希望利用杂交育种的方法在最少的世代内培育出矮秆抗病新类型。应该采取的步骤是：（1）__________________________________（2）____________________（3）__________________________________让高秆抗病与矮杆感病的品种进行杂交得到F1F1自交得到F2在F2群体中选出矮杆抗病的植株例题2：下图是用某种作物的两个品种①和②分别培育出④、⑤、⑥品种的示意图，试分析回答：①AABBEAb------------④D③AaBbFAAbb----------⑤②aabbGAAaaBBbb----⑥（1）用①和②培育⑤所采用的D和F步骤分别是和。其应用的遗传学原理是。（2）用③培育⑤所采用的E和H步骤分别是和。其应用的遗传学原理是。（3）用③培育⑥所采用的G步骤是_______________。其遗传学原理是______________。杂交自交基因重组花药离体培养秋水仙素处理幼苗染色体变异（单倍体育种）秋水仙素处理幼苗染色体变异（多倍体育种）练习2：试一试动物的杂交育种方法假设现有长毛立耳猫（BBEE）和短毛折耳猫（bbee），你能否培育出能稳定遗传的长毛折耳猫（BBee）？写出育种方案（图解）长毛折耳猫短毛折耳猫长毛立耳猫长毛立耳短毛折耳BBEEbbee长毛立耳BbEe长毛立耳BbEe长立长折短立短折BbeeBBeeBBeeBbeebbeebbee长折短折长折长折短折杂交F1间交配选优测交ＰＦ１Ｆ２F3长折短折骡是公驴与母马杂交所产生的后代。公马与母驴杂交的后代叫骡。至少在3000年前，在亚洲某些地区人们已经用骡来驮运物品了，现在世界上许多地区仍在使用骡来干重活儿。骡能吃苦耐劳，可以在马、驴等牲畜不能承担其艰苦的条件下工作。骡的高度、皮毛的均匀度、颈部和臀部的形状与马相似。此外头部短而粗，耳长，肢瘦，蹄小和毛短等方面像驴。例3：现有3个番茄品种，A品种的基因型为AABBdd，B品种的基因型为AAbbDD，C品种的基因型为aaBBDD。3对等位基因分别位于3对同源染色体上，并且分别控制叶形、花色和果形3对性状。请回答：（1）如何运用杂交育种方法利用以上3个品种获得基因型为aabbdd的植株？（用文字简要描述获得过程即可）（1）A和B杂交得到杂交一代，杂交一代再与C杂交，得到杂交二代，杂交二代自交，即可得到基因型为aabbdd的种子，该种子可长成aabbdd植株（2）如果从播种到获得种子需要一年，获得基因型为aabbdd的植株最少需要多少年？4年结合上述几个实例，请总结出杂交育种的优点和缺点？一、杂交育种原理：基因重组方法：优点：使位于不同个体上的多个优良性状集中于一个个体上，即“集优”,能产生新的基因型。缺点：育种所需时间较长，只能进行本物种或亲缘关系较近的物种杂交,杂交后代易出现性状分离，不能克服远缘杂交不亲合的障碍。应用：用纯种高秆抗病小麦与纯种矮秆不抗病小麦培育矮秆抗病小麦杂交→自交→选优自交杂交育种不能创造新的基因，并且所需时间要长，那有没有能出现意想不到的结果，并且需要时间相对要短的育种方法呢？生产上利用杂种优势可以大幅度地提高产量。例如，杂交高梁比纯系高梁增产30%--50%，杂交水稻比纯系水稻增产20%左右。杂种优势一九七九年，杂交水稻作为中国第一个农业技术专利转让美国。二000年八月以袁隆平名字命名的高等院校“袁隆平科技学院”在湖南成立，袁隆平出任名誉院长。这是中国首家以科学家姓名命名的高等院校。二000年五月三十一日以袁隆平名字命名的袁隆平农业高科技股份有限公司股票“隆平高科(资讯行情论坛)”在深交所上网定价发行。这是中国证券市场首次以科学家名字命名上市公司和股票。二、诱变育种利用物理因素（如X射线，紫外线，激光等）或化学因素（如亚硝酸等）处理生物，使生物发生基因突变。能引起基因突变的方法有三大类：物理方法有：化学方法有：生物方法有：紫外线、X射线、激光等亚硝酸、硫酸二乙酯等病毒等诱变育种医药工业应用的青霉素就是利用普通青霉菌，经过X射线的照射，产生的有利突变型。还有医学上应用的其他抗菌素如链霉素、地霉素、金霉素等，经辐射处理的突变系，比原始品系抗菌素产量增长几十倍到几百倍，促进和提高了抗菌素的生产。在作物方面，应用诱变育种我国已培育出100多种水稻、小麦、玉米、大豆等优良品种。例如用射线处理籼稻干种子，选出提早成熟15天的新品种，丰产等性状仍旧保持下来，而且米粒中的蛋白质的含量提高很多。又如用射线和其他诱变剂处理大豆，培育出一种新品种。这品种含有改变了的酶系，在同样的施肥和管理条件下可提高产量50%。与杂交育种相比，诱变育种有什么优点？联系基因突变的特点，谈谈诱变育种的局限性。诱变育种的突出优点是：提高变异的频率，加速育种进程。大幅度地改良某些性状。缺点：难以控制突变方向，无法将多个优良性状组合，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。什么是作物空间技术育种，它的原理是什么？作物空间技术育种是利用返回式的卫星（或宇宙飞船，航天飞机）和高空气球，把农作物种子带到太空，使种子产生变异，从中选育新品种的育种方法。它的实质是利用弱地心引力，强烈辐射等多种空间环境因素的诱变作用，因此又叫作物空间诱变育种。诱变育种——太空育种利用太空环境研究植物生长发育和遗传变异的讲究始于上世纪60年代初期，迄今已有40多年的历史。前苏联(俄罗斯)、美国空间植物学研究的主要目标，定位在以探索空间条件下植物生长发育规律，改善空间人类生存的小环境，解决宇航员的食品供给及生存安全等，这是为了将来“太空里的人类”。即使美国航空航天局于1995年建立了引力生物学中心，重点研究植物对引力的感受和反应，但其最终目标仍是开发出更加适于太空旅行的植物。而我国的太空育种则把更多的注意力投向如何利用空间环境资源，开辟选育植物优良品种的新途径，这是为了现在“地球上的人类”。因为目的的不同，导致现在有“中国已经走上太空育种的最前沿”一说。自从1987年8月5日我国第一次利用返回式卫星搭载植物种子以来，已成功进行了10余次航天育种试验。前后共有70多种植物1000多个品种的植物种子经过太空育种，共吸引全国23个省市的70多个单位参与种子搭载试验。奇迹出现了——水稻出现了大穗、大粒、优质、高产的效果，经航天诱变育种培育出的航育1号水稻新品种株高降低14厘米，生长期缩短13天，增产5%-10％，累计已推广30万亩。华航一号水稻新品种穗大，粒多、结实率高，可增产10％，亩产达500公斤以上，已推广100万亩以上；小麦获得许多矮秆，丰产、早熟的后代作物，产量增长10％～15％；青椒的优势亦很明显，长势十分喜人，已培育出一些高产、优质、抗病能力强的新品系，一种名叫87—2青椒，一个在250克以上，亩产5000公斤左右，维生素C含量增加20％。苹果平均重量从90克提高到160克，亩产比地面良种对照组高30％以上，丰产年份还达到122％。江西广昌县利用航天育种培植出了特大粒白莲种卫星3号，每粒莲子重2．4克以上，比常规品种可增产60％。诱变育种——太空育种空间生命科学：高真空(10—8pa)微重力(10—4g)强辐射(尤其是危害性极大的HZE）诱变育种——太空育种例4：我国运用返回式运载卫星搭载水稻种子，返回地面后种植，培育出的水稻穗长粒大，亩产达600kg，最高达750kg，蛋白质含量增加8%-20%，生长期平均缩短10天。请回答：（1）水稻产生这种变异的来源是_______，产生变异的原因是________。基因突变各种宇宙射线和失重的作用，使基因的分子结构发生改变。（2）这种方法育种的优点有__________。能提高变异频率，加速育种进程，并能大幅度改良某些性状二、诱变育种原理：基因突变方法：物理方法(紫外线、α射线、失重等)或化学方法(亚硝酸、硫酸二乙酯等)处理植株，再选择符合要求的变异类型优点：产生新基因和新的性状，能提高变异的频率，后代变异性状能较快稳定，加速育种进程。缺点：有利个体不多，须大量处理供试材料，工作量大。应用:太空辣椒的培育、青霉菌的选育等微生物的育种方面练习3:请写出下面各项培育方法：（1）通过花药离体培养再用秋水仙素加倍得到烟草新品种的方法是。（2）用60Co辐射谷氨酸棒状杆菌，选育出合成谷氨酸的新菌种，所用方法是。（3）用小麦和黑麦培育八倍体黑小麦的方法是。（4）将青椒的种子搭载人造卫星，在太空中飞行数周后返回地面，获得了果大、肉厚和维生素含量高的青椒新品种，这种育种原理本质上属于。（5）用抗倒伏、不抗锈病和不抗倒伏、抗锈病的两个小麦品种，培育出抗倒伏、抗锈病的品种，所用方法是。（6）用秋水仙素或硫酸二乙酯处理蕃茄、水稻种子，获得成熟期早、蛋白质含量高的品系，这种方法是。单倍体育种诱变育种多倍体育种诱变育种杂交育种诱变育种杂交育种诱变育种多倍体育种单倍体育种处理原理优点缺点三、比较各种育种的方法杂交育种诱变育种多倍体育种单倍体育种处理原理优点缺点杂交辐射、射线化学药剂秋水仙素花药离体培养基因重组基因突变染色体变异可以集中两个亲本的优良性状育种年限缩短，改良某些性状果大，茎秆粗，营养物丰富年限短，易稳定时间长有利不多，需大量处理发育迟